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1、1,传热过程与换热器,平壁、圆管壁和肋壁等几种工业上和日常生活中常见的传热过程及强化或者削弱传热过程的方法,介绍一些工业上常见的换热器的基本结构与特点，并重点讨论换热器的传热计算方法。,2,12-1 传热过程,1. 通过平壁的传热过程,传热系数,3,通过多层平壁的传热过程,4,2. 通过圆管壁的传热过程,5,在稳态情况下，上面三式中的 是相同的，于是可得,上式可以写成,以圆管外壁面积为基准计算的传热系数,6,通过n层圆管的稳态传热过程,7,4. 通过肋壁的传热过程,对于两侧表面传热系数相差较大的传热过程，在表面传热系数较小的一侧壁面上加肋（扩大换热面积）是强化传热的有效措施。假设：,8,9,根
2、据肋片效率的定义,称为肋面总效率。,一般情况下 ， ， 。,10,联立以上各式，可得,k1称为以光壁表面积为基准的传热系数，表达式为,称为肋化系数。,11,加肋后，肋侧的对流换热热阻是 ，,而加肋前为 ，,合理选择肋化系数。,工程上，通常采用以肋侧表面积A2为基准的传热系数k2来计算,12,5. 复合换热,复合换热通常指对流换热与辐射换热同时存在的换热过程。工程上一般将辐射换热量折合成对流换热量进行计算，为此引进辐射换热表面传热系数,13,换热器,换热器：用来实现热量从热流体传递到冷流体的装置。,1. 换热器的分类,按照换热器的工作原理，可分为,混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实
3、现热量交换。,蓄热式：冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。,间壁式：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。,14,按照结构间壁式换热器可分为,（1） 管壳式换热器,由管子和外壳构成的换热装置,套管式换热器示意图,15,（2） 肋片管式换热器,由带肋片的管束构成的换热装置，适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。,16,（3） 板式换热器,由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成，传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑 。,
4、17,（4） 板翅式换热器,由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成，结构紧凑。,（5）螺旋板式换热器,由两块平行金属板卷制而成，工艺简单、价格低廉，流通阻力小。,18,间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向,在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。,19,三、翅片管换热器,特点：增加A，增强管外流体的湍流来提高。,重要的应用场合：空气冷却器,管外加翅片，大大改善了空气侧的传热效果,翅 片 管 换 热 器,20,2. 换热器的传热计算,换热器的传热计算分为两种类型：,设计计算：根据换热条件和要求，设计
5、一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积。,校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。,换热器计算的两种方法：平均温差法和效能-传热单元数法。,平均温差法：,（1）换热器的传热平均温差：,传热过程的计算公式：,换热器的传热过程：,21,对数平均温差：,时：,22,对于其它流动型式，平均传热温差可以采用下式计算：,为冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时的对数平均温差；为小于1的修正系数，其数值可查阅换热器设计手册的线算图。如：,23,（2）换热器传热计算的平均温差法：,换热器传热计算的基本公式：,3个方程有8个独立变量，只要知道其中
6、5个变量，可求其它3个。,1）设计计算：,根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量 和4个进出口温度中的3个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A。,24,设计计算步骤：,(a) 根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对流换热的表面传热系数 及传热系数k；,(b) 根据给定条件，由式,求出未知的进、出口温度，并求出换热量 ；,(c)由4个进、出口温度及流动型式求平均温差 ；,(d) 由式 求出所需的换热面积A ;,(e)计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。,25,2）校核
7、计算：,已知已有换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量 、进口温度 等5个参数，需计算热、冷流体的出口温度 和换热量 。,计算步骤：,(a) 先假设一个流体的出口温度用热平衡方程式求出换热量 和另一个流体的出口温度；,(b) 根据流体的4个进、出口温度求平均温差 ；,(c) 计算换热面两侧的表面传热系数 ，进而求得传热系数k；,(d)由式 求出换热量 ;,(e)比较 与 ，如果相差较大,再重新假设流体出口温度，重复上述计算，直到满意为止。,26,传热的强化与削弱,传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术（又称隔热保温技术）。,传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而发展起来的
8、科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。,27,1. 强化传热的主要目的,（1）增大传热量；,（2）减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗；,（3）降低高温部件的温度，保证设备安全运行；,（4）降低载热流体的输送功率。,28,2. 削弱传热的主要目的,（1）减少热损失，节约能源；,（2）维护人工低温环境，减少外界热量的传入；,（3）保护人身安全，免遭热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境。,无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和改变传热热阻两方面入手。,以换热器内的传热过程为例：,传热强化有两条途径：,（1）加大传热温差 ；,（2）
9、减小传热热阻 。,29,在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。,1）多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热阻，加大传热量。,强化对流换热的方法：,（1）加大传热温差,（2）减小传热热阻,2）降低污垢热阻。,3）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。,1）扩展换热面（加装肋片）,30,2）改变换热面的形状、大小和位置,如管内强迫对流湍流换热,用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径）都可以取得强化对流换热的效果。,再如管外自然对流换热
10、和凝结换热，管子水平放置时的表面传热系数一般要高于和竖直放置。,31,3）改变换热面表面状况,如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；,在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；,在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对换热表面进行处理造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；,增加表面黑度强化辐射换热。,32,4）改变流体的流动状况,湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边界层；湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流换热、增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的主要方法。,33,开架式气化器(oRv)； 浸没燃烧式气化器(scv)： 管壳式气化器(STV)； 中间流体式气
11、化器(IFV)； 空温式气化器； 强制通风式气化器； 强制空气循环式气化器； 热风加温式气化器； 真空蒸汽式气化器(VSV)； 中间媒介空温式气化器；,根据LNG气化的热媒，气化器可以分为这样几类空气等。,讫今为止，所有曾被使用过的LNG气化器类型如下：,由类以后的气化器都用于小型的卫星接收站，其输气量小于50th，一般用于气化量较小的场合。其中的空温式气化器的另一缺点是受环境的影响太大，如温度和湿度的影响,气化器分类,34,35,翅片管的种类,目前世界上大约有15种翅片管应用于工程设计,法国Creusot Loire公司利用双金属挤压翅片管刚度较高的特点，在翅片周围开16-24个槽口，槽侧相
12、邻两边、翅片向相反方向倾斜，槽深约为翅片高度1/3，可提高管外给热系数40%,西德GEA公司在椭圆翅片管上加蜗流偏导器后 给热系数可提高1.5倍左右，节省金属1/4,36,翅片管的性能参数,美国HTRI公司的Carnarus评价的15种翅片管，和23种性能,37,翅片管生产工艺及设备,原料及规格,翅片管所用原料为钢管和翅片,生产工艺,钢管从进口上料机进入输入台架呈螺旋状前进,经钢管表面预处理后进入高频焊接区，这时从储料器活套送出的带钢经锯齿机锯齿后也进入高频焊接区,通过挤压环挤压缠绕到钢管上的同时实施高频焊接，焊接后的翅片管由牵引小车拉出，卸到输出台架上,38,翅片管生产工艺及设备,生产设备,
13、接触式高频焊机：包括高压电源,高频振荡管、热交换器和冷却水闭路循环系统 。,闪光对焊机：能剪切翅片带钢的头尾，并将其对焊在一起， 焊后对焊缝需进行退火处理，以消除焊接应力，增加韧性，并由磨光机打磨平整,焊接区定位装置：用于约束钢管调整翅片带钢的螺旋线角度, 对翅片带钢施加挤压力,并支撑焊头和焊脚,39,附带液体一液体热值调节装置的LNG气化器的开发,东京煤气公司于1988年1月开发并东京袖浦煤气厂运转，,LNG的热值： 39745MJNm3,LPG的热值：133.8 45MJNm3,热值调节方法：气体气体调节方法，一般是将LNG和LPG分别气化后，以气体状态进行混合，调节过程较稳定的优点，同时
14、也有因为调节压力和LPG的气化温度高，不能利用海本作为源，必须使用蒸汽的情况，因而需在LPG气化器中增加锅炉等设备，其缺点是设备费生产费较高,40,液体气体调节方法，以气化的天然气引射LPG进行混合 存在问题： 1)因为利用天然气的显热气化LPG，但此显热少，因而限制了LPG的混合量2)在利用廉价的海永作为LNG气化热源的情况下，可以利用的显热少给较低热值的LNG增热时，显热不够,液体一液体热值调节方法：预先将LNG和LPG以液体状态混合成为46MJNm热值的混合液体的方法优点降低混合液中LPG的分压，可以降低气化温度，以便利用海水之类的低品位热源，因此，生产成本低另外，即使对于几乎纯甲烷的低
15、热值的LNG也有较好的混合能力，是一种具有翅f时代意义的热值调节方法,41,附带液体一液体热值调节装置的ORV主要由下面三个部分组成，1)LNG的升温部分2)LNG和LPG混合液体一液体热值调节部分；3)混合液的气化部分,工艺流程,42,LNG的升温是为了不使,LPG的不纯物质在一l60超低温的LNG中析出，原料LNG是过冷液，实现这一点是可以的作为升温手段是预先把部分LNG气化，将气化气与LNG混合。用气化的凝鳐热使LNG升温,液体一液体热值调节部分是利用混合喷咀使LPG在LNG中混合LPG的热量根据LNG的流量按比控制，用ORV出口的煤气热值修正其比例假定值煤气热值的测定是利用密度和热值的
16、相关性而从密度推算出来的密度的测定是使用灵敏性较好的，插入型的密度计进行的,43,该工艺存在的问题及今后发展方向,1）LNG和LPG混合的稳定性 首先第一个应确认的问题是一160的LNG和一40E的LPG混合时，因为温差大，部分LNG反复气化、液化而稳定运转是不难的常温的LPG与一160的LNG混合不会发生这种现象，稳定运转是肯定的 另外一个问题是LPG中的杂质，水分等在LNG中形成固体而造成堵塞事故，从实验结果可知，固体堵塞事故的产生取决于混合液的温度固体的生成是因为存在甲醇的缘故,2）LNG和LPG混合喷咀的形状,使用T形管，静态混合器，文丘里管三种，降噪减振动，其中文丘里管振动最小,44,该工艺存在的问题及今后发展方向,3）调节性能,根据LNG的流量按比例混合LPG，用ORV出口的煤气热值修正其比例假定值，可获得良好的调节性能，该图为利用气相色谱法分析值求取的热值与密度的函数关系，因此通过测量密度可推算出出口热值,
